Ζ⋅Ψ⋅Ξ⋅Ω⋅Υ⋅Τ⋅Σ⋅Ρ⋅Θ⋅Π⋅Ο⋅Ν⋅Μ⋅Λ⋅Κ⋅Ι⋅Η⋅Γ⋅Φ⋅Ε⋅∆⋅Χ⋅Β⋅Α

⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅ ζψξωυτςσρϑθϖπονµλκιηγϕφεδχβα

PRIMEIRO TRIMESTRE

NOTAS DE AULAS – LUCAS XAVIER – www.wikifisica.com (FILOMENA E CORONEL)

FÍSICA

Ciência que investiga as leis do Universo no que diz respeito à matéria e energia, que são seus constituintes, e suas interações. Ou seja, investigam as propriedades dos campos, a interação entre campos de força e meios materiais, as propriedades e a estruturas dos sistemas materiais sujeitos ou não à ação de campos de forças, e que procura exprimir, mediante teorias gerais, as leis fundamentais do comportamento dos campos e dos sistemas materiais. Num sentido mais amplo, pode ser definida como a ciência da natureza. É constituído por um conjunto de teorias, leis (chamadas de leis físicas) e princípios que conduzem em geral a relações quantitativas sendo estas expressas por equações matemáticas.

Termologia

Parte da física que estuda os fenômenos relacionados ao aquecimento e resfriamentos dos corpos.

Termometria

Avalia as medidas de temperatura dos corpos.

Conceito de temperatura: É a medida do estado de agitação das partículas (moléculas ou átomos) que constituem um corpo.

Uma conseqüência deste conceito é que podemos elevar a temperatura dos corpos indefinidamente. Entretanto, a abaixamento de temperatura dos corpos apresenta um limite natural inferior determinado por

Kelvin como zero absoluto (situação termodinâmica na quais as moléculas ou átomos que constituem os corpos apresentariam um nível mínimo de energia cinética de vibração).

LEITURA: 1 - Físicos criam à temperatura mais alta da história

Cientistas criaram a temperatura mais alta da história em laboratório – 4 trilhões de graus Celsius -, quente o suficiente para desintegrar a matéria e transformá-la no tipo de sopa que existiu milionésimos de segundos depois do nascimento do Universo.

Eles usaram um acelerador de partículas gigante do Laboratório Nacional de Brookhaven, do departamento de energia dos Estados Unidos, em Nova Iorque, para bater íons de ouro na produção de explosões ultra quentes, que duraram apenas milésimos de segundos.

Isso, no entanto, foi suficiente para dar aos físicos assunto para anos de estudo, que eles esperam vão ajudar a entender por que e como o Universo foi formado.

“Essa temperatura é alta o suficiente para derreter prótons e nêutrons”, disse Steven Vigdor, do Brookhaven.

Essas partículas formam átomos, mas elas próprias são formadas por componentes menores chamados quarks e glúons.

Os físicos buscam agora minúsculas irregularidades capazes de explicar por que a matéria acumulou nessa sopa.

Eles também esperam usar seus achados em aplicações mais práticas – como no campo da “spintrônica”, que tem como objetivo desenvolver peças de computador menores, mais rápidas e mais potentes.

Eles usaram o Colisor Relativístico de Íons Pesados (RHIC), um acelerador de partículas para colidir íons de ouro.

“O RHIC foi projetado para criar matéria nas temperaturas encontradas inicialmente no Universo antigo”, disse Vigdor. Eles calculam que a temperatura de 4 trilhões de graus Celsius (4.000.000.000.000 0C) se aproxima muito disso.

O centro do nosso Sol mantém-se a 50 milhões de graus, o ferro derrete a 1800 graus e a temperatura média do Universo é atualmente de 0,7 graus acima do zero absoluto (0 K).

Fonte: a tribuna (16/02/10).

2 – Universo criado em laboratório

O superacelerador de partículas LHC (Large Hadron Collider) tem circunferência de 26.659 metros, e que possui 9300 ímãs recriou as condições registradas logo após o Big Bang – a explosão primordial que teria dado origem ao universo – usando, desta vez, íons de chumbo, muito mais pesados, e não prótons, como vinham utilizando até então. Obtiveram bolas de fogo subatômicas densas e quentes, com temperaturas superiores a 10 trilhões de graus Celsius (10.000.000.000.000 0C).

Uns dos principais objetivos do LHC são decifrar alguns dos maiores enigmas do universo, como a matéria escura, que compõe 25% do cosmos, e até a existência de novas dimensões. Outra meta é procurar o bóson de higgs, sua existência é inferida, mas nunca foi comprovada.

Fonte: a tribuna (09/11/10).

Conceito de calor: Energia térmica em trânsito devido à diferença de temperatura.

Equilíbrio térmico

Quando dois corpos com temperaturas diferentes são colocados em contato térmico passam a trocar energia térmica. Após algum tempo, atingirão o equilíbrio térmico (temperaturas iguais).

Princípio zero da termodinâmica: Se um sistema A estiver em equilíbrio térmico com um sistema C, e se outro B também estiver em equilíbrio térmico com C, então A e B estarão em equilíbrio térmico entre si.

ESCALAS TERMOMETRICAS

Uma vez que corpos num ambiente termicamente isolado tendem a atingir a mesma temperatura, é possível criar um instrumento para medí-la. Para tanto, deve-se colocar um dispositivo sensível à variação de temperatura em contato térmico com o sistema e definir para a temperatura do sistema o valor lido no dispositivo previamente graduado. Este dispositivo é o termômetro.

Ele possibilita à medida da temperatura através da escolha de dois pontos fixos correspondentes a transição de fase: fusão do gelo (ponto de gelo) e ebulição da água (ponto de vapor), ambos sob pressão normal (que são reconhecidamente, estados em que à temperatura é constante – desde que a pressão permaneça constante).

Obs.: a) Daniel Gabriel Fahrenheit (1686-1736) físico alemão.

b) Anders Celsius (1701-1744) físico sueco.

c) William Thomson (1824-1907) físico britânico. Esta escala (conhecida como escala Kelvin) é preferida em Ciência, por possuir uma característica única!

Porque usamos a escala Kelvin?

Porque dois termômetros Celsius que utilizam substâncias termométricas diferentes não possuem escalas concordantes, ou seja, não fornece a mesma leitura para uma mesma temperatura. A escala Kelvin independe da substância termométrica.

RELAÇÃO ENTRE AS ESCALA

a) Celsius e Fahrenheit

b) Celsius e Kelvin

Nota! Conversão entre escalas quaisquer (regra prática):

i) Condição de existência: X = Y No caso daria 350

ii) Condição de leitura simétricas: Y = -X

No caso daria -14 0X e +14 0Y

Variações :

DILATAÇÃO TÉRMICA

Dilatação Térmica: quando aquecemos um sólido qualquer as suas dimensões geralmente aumentam.

DILATAÇÃO LINEAR: é o aumento do comprimento característico dos corpos. Exemplo: no verão, os fios

entre dois postes apresentam-se “folgados” devido à dilatação térmica. No inverno, os fios apresentam

mais “esticados”.

α → depende do material

Os valores listados na tabela são médios, aplicáveis a uma faixa de temperatura não muito extensa, em

torno da temperatura ambiente.

substâncias Coeficientes de dilatação linear (10-6 0C-1)

aço 11

álcool 334

alumínio 24

chumbo 29

cobre 17

ferro 12

concreto 10

gelo 51

invar 1

latão 19

Vidro comum 9

Vidro pirex 3,2

zinco 26

O Invar (do inglês invariable) é uma liga de aço com 28% de níquel, projetada para ter uma pequena

dilatação.

DILATAÇÃO SUPERFICIAL (ISOTRÓPICA): é o aumento das áreas da superfície característica dos corpos.

Exemplo: a mesma chapa metálica apresenta um área maior quando é aquecida.

DILATAÇÃO VOLUMÉTRICA: é o aumento de volume dos corpos. Exemplo: com o aquecimento, o volume de uma esfera aumenta.

RELAÇÃO ENTRE OS COEFICIENTES

GRAFICOS L x θ, A x θ e V x θ

Dilatação Linear: os gráficos representam o comportamento da dilatação linear e do comprimento real da

barra em função da temperatura.

O diagrama a seguir representa os comprimentos de duas barras A e B em função da temperatura. Qual

tem maior coeficiente de dilatação?

Dilatação Superficial

Dilatação Volumétrica

Alguns casos particulares

Lâmina bi-metálica (usada na geladeira para interromper ou facilitar a passagem de corrente no circuito

elétrico).

Dilatação dos líquidos: quando aquecemos um liquido o seu volume aumenta. Isso implica uma dilatação

real, que depende apenas do liquido, e a outra aparente, que leva em conta a dilatação do recipiente.

Comportamento anômalo da água: A água possui um comportamento anômalo em sua dilatação. Observe

o diagrama volume X temperatura a seguir, onde o gráfico mostra este comportamento incomum da água.

Note que a 4ºC o volume da água é mínimo e a sua densidade é máxima. Isto ocorre devido a formação das

pontes de hidrogênio, abaixo de 4ºC, quando as moléculas de água ficam maiores.

Esse comportamento da água explica por que, num lago, quando a temperatura cai a valores

extremamente baixos, a água se solidifica apenas na superfície. Isto ocorre porque até 4ºC, no

resfriamento, a água da superfície torna-se mais densa e afunda, subindo a água mais quente do fundo e

menos densa. Ao atingir uma temperatura menor que 4ºC, a água da superfície se expande (devido as

pontes de hidrogênio que começam a se formar), diminuindo a sua densidade; assim essa água fria não

desce mais e ao atingir 0ºC se solidifica. No fundo fica a água mais quente, numa temperatura pouco maior

que 0ºC. é isto que preserva a vida animal e vegetal existente no fundo do lago.

Nota! Ponte (ou ligação) de hidrogênio é o nome dado à força de atração existente entre dipolos

permanentes quando o hidrogênio esta ligado a átomos de alta eletronegatividade e pequenos, ou seja,

flúor, oxigênio e nitrogênio.

Os líquidos não têm forma definida, apenas volume. Daí, o estudo da dilatação térmica dos líquidos é feito

somente em relação à dilatação volumétrica.

É a dilatação observada, sem considerar a dilatação do recipiente. Logo,

Coeficiente de dilatação real de alguns líquidos

Líquido γ (10-4 0C-1)

Mercúrio → 1,8

Glicerina → 4,9

Benzeno → 10,6

Álcool etílico → 11,2

Acetona → 14,9

Observe que, ao atingir 4ºC, a água apresentava volume mínimo (densidade máxima) e, a partir daí, passa a

se dilatar, ao invés de se contrair, como a maioria das substâncias.

Como a água apresenta máxima densidade à 4ºc, não haverá, nesta temperatura, trocas de calor entre o

ambiente e um lago, por convecção; pois a 4ºC (máxima densidade).

Calorimetria

Conjunto de técnica e métodos dedicados à medição da quantidade de calor absorvido ou liberado num processo físico.

Conceito de calor: forma de energia em trânsito que passa espontaneamente do corpo de maior temperatura para o de menor temperatura.

Observação: Pode ocorrer transferência de energia térmica (calor) do corpo mais frio ao mais quente, porém, este processo não é espontâneo (caso da geladeira).

CALOR SENSÍVEL: Quantidade de energia térmica trocada como conseqüência de uma diferença de temperatura.

CAPACIDADE TERMICA (C): Quantidade de calor necessária para produzir uma variação de temperatura numa certa amostra.

CALOR ESPECÍFICO SENSÍVEL(c)

Quantidade de calor sensível necessária, por unidade de massa, para produzir uma variação de temperatura unitária em uma substância.

É a capacidade térmica por unidade de massa

substância c(cal/g 0C)

água 1,00

alumínio 0,22

gelo 0,50

Vapor d´água 0,48

ouro 0,032

O calor específico elevado da água possui um papel fundamental de reguladora da temperatura do planeta, uma vez que ela troca grandes quantidades de calor para sofrer pequenas variações de temperatura quando comparadas a outras substâncias.

CALORIA (CAL): Quantidade de calor que, ao ser recebido por 1 grama de água, provoca nessa água uma variação de temperatura de 1 0C (de 14,5 0C para 15,5 0C), sob pressão normal (1 atm).

Nota:

EQUAÇÃO FUNDAMEMTAL DA CALORIMETRIA

Q → quantidade de calor trocado (em J ou cal),

m → massa (em kg ou g),

c → calor específico (em J/kg.k ou cal/g.0C),

C → capacidade térmica (em J/k ou cal/0C),

∆θ → variação de temperatura (em k ou 0C).

PRINCÍPIO GERAL DAS TROCAS DE CALOR (balanço energético)

Num sistema adiabático a soma das quantidades dos calores trocados entre corpos é igual a zero.

Observação: Sistema adiabático é aquele que não permite trocas de calor entre o meio interno e externo.

Exemplo:

Pela convenção adotada temos Qa e Qb negativos e Qc, Qd e Qe positivos, de tal forma que:

Qa + Qb + Qc + Qd + Qe = 0

As considerações vistas acima constituem o princípio da igualdade das quantidades de calor trocadas, que pode ser enunciado da seguinte maneira: “Quando dois ou mais corpos, em temperaturas diferentes, são postos em contato, constituindo um sistema termicamente isolado, eles trocam calor até atingir equilíbrio térmico”. Uma vez atingido o equilíbrio térmico, as temperaturas de todos são iguais e a soma das quantidades de calor cedidas por alguns é igual à soma das quantidades de calor recebidas pelos outros.

Calorímetro ideal: Recipiente que, além de adiabático, tem capacidade térmica desprezível, ou seja, não participa das trocas de calor.

Equivalente em água (E)

Eventualmente, um corpo pode ser substituído por outro que lhe seja termicamente equivalente, ou seja, que possua a mesma capacidade térmica que ele.

Quando esse ‘parâmetro’ de comparação é a água, fala-se em equivalente em água que é a massa de água numericamente igual à capacidade térmica do corpo.

Poder de combustão ou calor de combustão (P)

Os combustíveis, assim como os alimentos, contêm energia, que pode ser liberada e utilizada por outros mecanismos.

É dado pela razão entre a quantidade de calor liberada na queima de um combustível e a massa “queimada” desse combustível.

, unidade usual cal/g

A combustão é uma reação exotérmica (liberação de calor) de uma substância com o oxigênio.

A tabela a seguir apresenta o calor de combustão de alguns alimentos e combustíveis.

Alimento Calor de combustão (cal/g)

Combustível Calor de combustão (cal/g)

Batata frita 2740 Gás hidrogênio 29000

Pão 2690 Gás natural 11900

Arroz cozido 1670 gasolina 11100

Carne magra 1460 Óleo diesel 10900

Feijão cozido 670 Álcool etílico 6400

Obs. Atualizar esta tabela!

A tabela abaixo apresenta alguns valores médios referentes à energia utilizada pelo corpo humano na realização de algumas atividades.

Atividade Taxa de utilização de energia (kcal/min)

Dormir 1,0 a 1,3

Andar 3,8

Correr 8,0 a 12

Nadar 9,0

(1,0 kcal/min aproximadamente igual a 116,7 cal/s igual a 70 W.

Para executar todas as atividades diárias, uma pessoa necessita, em média, de 2500 a 3000 kcal.

Potência (pot)

Dada pela razão entre a quantidade de calor fornecida por uma fonte e o tempo gasto para tal fornecimento.

,unidade SI (J/s) = (W) = (Watt)

Nota: Existem inúmeros fenômenos físicos onde se evidenciam a transformação de energia mecânica ou elétrica em calor.

MUDANÇAS DE FASE

Fases físicas

A matéria pode se apresentar, basicamente, em três estados de agregação (depende da temperatura e da pressão à qual está submetida): o sólido, o líquido e o gasoso.

No estado sólido (apresenta forma e volume próprios), as partículas apresentam-se distribuídas no corpo em um padrão bem organizado, ocupando posições na rede cristalina bem definida, em função da grande força de atração entre as partículas.

No estado líquido (apresenta volume próprios), as partículas não estão tão fortemente ligadas e podem trocar de posição.

No estado gasoso, as partículas têm uma total liberdade de movimentação. Por isso, os gases não conservam estáveis nem forma e nem volume.

Fases físicas e mudanças de fase

A fusão, a vaporização e a sublimação direta são mudanças de estado que ocorrem com absorção de calor, ou seja, são processos endotérmicos; a solidificação, a condensação (ou liquefação) e a sublimação inversa (ou cristalização) ocorrem com liberação de calor, ou seja, são processos exotérmicos.

CALOR LATENTE

Classificação das mudanças de fases de um elemento

QUANTIDADE DE CALOR LATENTE

A quantidade de calor a ser cedida ou retirada de um corpo com a finalidade única de fazê-lo mudar de fase é chamada de calor latente.

CALOR ESPECÍFICO LATENTE (L): Quantidade de energia térmica, por unidade de massa, necessária para produzir uma mudança de estado físico.

L → calor específico latente (em J/kg ou cal/g)

Constante que depende do material de que é feita a substância e da mudança de fase.

Exemplo: para a água.

→ fusão: Lf = 80 cal/g

→ solidificação: -80 cal/g

→ vaporização: 540 cal/g

→ liquefação: -540 cal/g

Curvas de aquecimento e de resfriamento

São as curvas que se obtém, construindo num diagrama cartesiano o gráfico da temperatura de um corpo em função da quantidade de calor trocada (recebida ou cedida) por ele.

Quando aquecemos uma substância pura podemos verificar que a variação de temperatura e mudança de fase são processos bem definidos e não simultâneos.

Consideremos, por exemplo, um corpo de massa m de uma substância, cujas temperaturas de fusão e de ebulição são, respectivamente, θF e θE. Seja θ1 (θ1<θF) a temperatura inicial deste corpo. Como θ1 < θF, concluímos que inicialmente o corpo se encontra no estado sólido (ponto A). A partir daí, à medida que continua recebendo calor o corpo se funde e a sua temperatura se mantém constante (patamar BC).

Só depois de totalmente fundido (ponto C) é que o corpo (agora no estado líquido) vai se aquecer, permanecendo líquido até a temperatura de ebulição (ponto D). Durante a ebulição a temperatura se mantém constante (patamar DE) e só depois de completada a ebulição (ponto E) é que o vapor vai se aquecer (trecho EF) até θ2.

As quantidades de calor recebidas pelo corpo para o aquecimento podem ser assim calculadas:

Q1 = mcsólido (θF – θ1)

Q2 = mLF

Q3 = mclíquido (θE – θF)

Q4 = mLV

Q5 = mcvapor (θ2 – θE)

A curva de resfriamento é obtida de maneira análoga, bastando considerar as transformações inversas daquelas que aparecem na curva de aquecimento.

Sobrefusão (ou superfusão)

A sobrefusão é o fenômeno que consiste em uma substância encontrar-se no estado líquido numa temperatura abaixo da sua temperatura de solidificação.

Para melhor entendimento, tomemos como exemplo o hipossulfito de sódio, que é uma substância para a qual a sobrefusão é muito comum.

Observe a curva de resfriamento de uma porção de hipossulfito de sódio.

A temperatura de fusão (ou de solidificação) do hipossulfito de sódio é 48°C. Porém, se resfriarmos lentamente, sem provocar agitação em sua massa, o hipossulfito de sódio atingirá temperatura bem abaixo de 48°C, permanecendo no estado líquido abaixo da temperatura de solidificação (48°C). Esse fato é chamado de sobrefusão ou superfusão.

A curva de resfriamento do hipossulfito de sódio, som sobrefusão, toma o seguinte aspecto.

A sobrefusão é um estado de equilíbrio muito instável, de tal forma que, se jogarmos no sistema líquido um cristal do sólido correspondente ou se agitarmos o sistema, parte do líquido se solidifica rapidamente – trecho EF – e o sistema volta ( se aquece) à temperatura de solidificação – ponto F. A partir do ponto F o fenômeno da solidificação de desenrola normalmente, estando a partir do ponto C, todo o sistema no estado sólido.

Observemos que no diagrama o trecho AE corresponde ao resfriamento do líquido, sendo que no trecho BE o líquido está em sobrefusão. Ao ser provocado o distúrbio no sistema há solidificação brusca de uma parcela ms da massa total m. Esta solidificação liberta calor que fica no próprio sistema, provocando seu aquecimento e a volta à temperatura de solidificação.

Assim:

QBF = QBE + QEF

Como a solidificação parcial e o correspondente aquecimento (trecho EF) são muito rápidos, esse processo é adiabático e QEF = 0.

Portanto: QBF = QBE

LEITURA: Como a física ajuda na cozinha

Verificamos que o leite ferve e transborda, e a água ferve e não derrama. Por que isso acontece? Na água, as bolhas arrebentam devido a facilidade com que elas “atravessam” superfície do liquido, fazendo os vapores de água escapem para o ar.

No leite, as bolhas chegam à superfície e não conseguem arrebentar a camada superficial, que é muito resistente (devido ao acúmulo de gorduras e proteínas), e, já que não conseguem transpô-la, empurram-na para cima, derramando-a em forma de espuma.

mSLS = mcliq (θF – θ1)

INFLUÊNCIA DA PRESSÃO NA MUDANÇA DE ESTADO FÍSICO

SUBSTANCIAS QUE SE DILATAM NA FUSÃO (A MAIORIA DAS SUBSTANCIAS)

T → Ponto Triplo (T): pressão e temperatura, para as quais, co-existem os três estados. Para a água, o ponto triplo apresenta uma pressão de 4,58 mmHg e uma temperatura de 0,01 0C.

Para que uma substância pura sofra sublimação, é necessário que ela esteja sob uma pressão inferior à do ponto triplo. Nessas condições, ocorre o seguinte: aquecendo-se o sólido sob pressão constante, ele passa diretamente para a fase de vapor, resfriando-se o vapor, ele passa diretamente à fase sólida. Como exemplo, podemos citar a naftalina e o gelo seco (muito utilizado na conservação de sorvetes e em shows musicais).

C → Ponto Critico (C): Na curva de vaporização, o ponto crítico corresponde a uma pressão e a uma temperatura crítica. A cima da temperatura crítica, a substância é gás; abaixo dela, a substância é vapor. Uma substância na fase gasosa não pode ser liquefeita por compressão isotérmica, ou seja, não é possível que ela passe da fase gasosa para a líquida apenas com sua submissão a um aumento de pressão em temperatura constante.

Repare na curva: solidificação ↔ fusão: representa o equilíbrio entre a fase sólida e a fase líquida.

Note que, aumentando-se a pressão, a fusão (ou solidificação no caso inverso) ocorrerá a uma temperatura mais elevada.

A fusão de uma substância é um processo endotérmico, embora não seja necessário o recebimento de calor para que um corpo no estado sólido se funda. Pois se pode fundir um corpo apenas variando-se a pressão exercida sobre ele. As partículas de um corpo que recebe calor se tornam cada vez mais agitadas e, por isso, é natural que passem a ocupar um volume maior; se aumenta a pressão exercida sobre um corpo no momento em que ele atinge um par de valores de pressão e temperatura própria para sua fusão, isso faz com que as partículas que o constituem “sintam” uma dificuldade maior para se desligarem de um estado de grande

coesão e se tornarem mais livres umas das outras; daí, um aumento de pressão dificulta a fusão, ou seja, implica um aumento da temperatura de fusão.

Repare na curva vaporização: um aumento na pressão acarreta um aumento na temperatura de ebulição.

Veja como a temperatura de ebulição da água varia em relação à altitude.

Altitude Pressão atmosférica Temperatura de ebulição da água

0 760 mmHg = 1,0 atm 100 0C

500 m 716 mmHg = 0,94 atm 98,3 0C

1000 m 674 mmHg = 0,89 atm 96,5 0C

2000 m 598 mmHg = 0,79 atm 93,2 0C

8800 m 258 mmHg = 0,34 atm 72,0 0C

Quando a água é submetida a diferentes pressões, dentro de recipientes apropriados (panela de pressão), a sua temperatura de ebulição varia conforme a tabela.

Pressão Temperatura de ebulição da água

2,0 atm 120 0C

5,0 atm 152 0C

10 atm 180 0C

40 atm 251 0C

EVAPORAÇÃO: Vejamos algumas situações práticas

1. As roupas, quando estendidas em um varal, secam por evaporação. Os dias secos e com bastante vento favorecem a evaporação, e a roupa seca mais rapidamente do que nos dias úmidos e de pouco vento.

2. Dentro de uma moringa de barro, a água fica mais fria do que no ambiente externo, pois o barro é poroso, permitindo que as moléculas de água mais energéticas escapem através de seus poros. As moléculas que permanecem dentro da moringa possuem energia cinética menor e, portanto, menor temperatura.

3. Quando abrirmos um vidro contendo perfume, éter ou acetona, pode sentir o cheiro do líquido através de seu vapor, que escapa facilmente para fora do recipiente. Esses líquidos que escapam facilmente são chamados de voláteis.

4. Sempre que um vapor estiver em presença de seu líquido, dentro de um recipiente fechado, ele estará exercendo pressão de saturação. Quando se abre o recipiente, o vapor escapa e o líquido se vaporiza, na tendência natural de se manter a pressão de saturação. Uma aplicação prática dessa situação ocorre com os botijões e com os isqueiros a gás (na verdade deveríamos dizer “a vapor”). Quando abrimos a válvula, o vapor sai – e o líquido que está dentro do recipiente se transforma em vapor.

SUBSTANCIAS QUE SE CONTRAEM NA FUSÃO (Água, Ferro, Prata, Bismuto e Antimônio)

Note a curva: solidificação ↔ fusão

Aumentando-se a pressão, a temperatura em que ocorre a fusão é menor.

Como exercício, pense na patinação no gelo e no deslocamento das geleiras.

Nas pistas de patinação sobre gelo, a pressão das lâminas metálicas muito finas dos patins provoca a fusão do gelo. Mas logo após a passagem do patinador a trilha de água líquida volta a congelar-se, porque volta a ficar apenas sob ação da pressão ambiente.

Sob pressão normal de 1,0 atm, o gelo se funde 0 0C; mas, sob pressões mais elevadas, ele se funde em temperaturas abaixo de 0 0C:

Pressão (atm) Temperatura de fusão (0C)

8,1 - 0,06

135 - 1

340 - 2,5

Obs.: fazer a experiência de Tyndall.

•Diferença entre gás e vapor: qualquer substância gasosa abaixo de sua temperatura crítica é um vapor. Acima, é um gás. A temperatura critica da água é 374ºC, acima desta temperatura o vapor d’água não mais se liquefaz, por maior que seja a pressão aplicada.

LEITURA: Por que a garrafa de água explode?

A maioria das substâncias diminuem de volume ao se solidificar, com a água, o processo fica invertido: ela aumenta seu volume ao se solidificar, o que pode ocasionar a explosão de uma garrafa de cerveja colocada em um congelador para que o líquido seja resfriado o mais rápido possível.

O processo inverso, de fusão, também obedece a uma anomalia para a água. Durante o “derretimento” de uma pedrinha de gelo, o volume diminui. Tudo isso ocorre devido a polarização elétrica criada nas moléculas de água.

Como a molécula de água é composta de dois átomos de hidrogênio e um de oxigênio, as forças exercidas pelo oxigênio sobre o os elétrons são maiores as forças exercidas pelos hidrogênios. Com a ajuda da química, percebemos que isso forma pontes de hidrogênio. No estado sólido, as moléculas ficam dispostas de maneira que haja grandes espaços vazios na formação do retículo cristalino, o gelo.

Se a água ganhar calor suficiente para entrar em fusão, passando do estado sólido para o liquido, no intervalo de temperatura 0 a 4°C, haverá diminuição no volume do liquido, devido à ruptura dos cristais nas pontes de hidrogênio, o que provocará uma ocupação dos espaços vazios entre as moléculas.

Devido a alta agitação molecular, a partir de 4°C, a dilatação da água passa a acontecer de maneira análoga à a das outras substâncias encontradas na natureza. Como você deve se lembrar, durante a fusão da água, a temperatura permanece constante em 0°C.

Dessa vez, gostaria de me despedir com um desafio: explique por que quando colocamos um cubinho de gelo num copo com água, também à 0°C, o gelo flutua. Direcione seu raciocínio para a relação matemática entre massa e volume, e determine a densidade volumétrica de um corpo.

TRANSMISSÃO DE CALOR

PROPAGAÇÃO DO CALOR: denomina-se propagação de calor à passagem de energia térmica de um local para outro. Essa propagação pode ocorrer de três formas diferentes: Condução, convecção e irradiação.

FLUXO DE CALOR (Ф): verifica-se, de forma experimental, que o fluxo de calor é proporcional a área do corpo, a diferença de temperatura entre dois meios (1) e (2) que ela separa e é inversamente proporcional à espessura da placa.

a) Através de um cilindro:

SI → IФI → w (watt), ∆θ em kelvin

b) Através de uma placa de espessura e:

Ф → o fluxo de calor mede a potência térmica do meio no qual o calor se propaga.

Nota! Se o coeficiente de condutividade térmica (K) de um material é grande, diremos que esse material é bom condutor de calor. Exemplo: os metais em geral.

Se o coeficiente de condutividade térmica (K) de um material é pequeno, diremos que este material é mau condutor de calor. Exemplos: isopor, lã, cortiça, porcelana, borracha, madeira, mica, os gases em geral, o vidro, o gelo, etc.

CONVECÇÃO TERMICA: Processo de propagação de calor que ocorre em líquidos, vapores e gases (há deslocamento de matéria).

Equação:

↓µ = m/V↑

•Convecção

Exemplos:

a)No verão, o aparelho de ar-condicionado, deve ser colocado na parte superior da parede da sala. Um dos objetivos principais dos condicionadores de ar é reduzir a umidade do ar. Raramente a diferença de

temperatura entre o meio exterior e um ambiente com ar condicionado atinge um valor acima de 4ºC. Podemos sentir mais calor “num ambiente, muito úmido, a 30ºC, do que em um ambiente muito seco, a 40ºC”.

b)No inverno, o ar aquecido pelo aquecedor elétrico deve ser produzido na parte inferior da sala.

c)Nas geladeiras domesticas os alimentos são resfriados pelo ar frio que desce devido a convecção. As prateleiras são feitas em grades (e não inteiriças) para permitir a convecção do ar dentro da geladeira.

d)Brisas litorâneas: a beira-mar, a areia, tendo calor especifico muito menor que o da água, se aquece mais rapidamente que a água durante o dia e se resfria mais rapidamente durante a noite. Assim, durante o dia, as brisas sopram do mar para a terra. Durante a noite, as brisas sopram da terra para o mar.

CONDUÇÃO TERMICA: Processo de propagação de calor, através do qual, a energia térmica é transmitida através da agitação molecular. Único processo de propagação dos sólidos ( não há deslocamento de matéria).

Equação:

IRRADIAÇÃO TERMICA: Propagação através de ondas eletromagnéticas, principalmente na faixa do infravermelho (ocorre no vácuo ou em alguns meios materiais).

•Exemplo: energia térmica que vem do sol através de ondas eletromagnéticas.

Lei de Stefan-Boltzmann: diz que o poder emissivo de um corpo negro é proporcional à quarta potência da sua temperatura absoluta.

Equação:

,onde σ = 5,7 . 10-8 w.m-2.k-4 , e T em kelvin

•corpo negro: o melhor absorvedor de energia é também o melhor emissor. Todos os corpos emitem infravermelho. Quando um corpo absorve mais do que emite, ele se aquece. O corpo negro depende apenas de sua temperatura e não do material de que é feito. Por, isso não existe corpo negro na natureza.

Aplicações Importantes

•Vaso de dewar (ou garrafa térmica): é um dispositivo utilizado para manter a temperatura do seu conteúdo, inalterada, o maior intervalo de tempo possível. Para tanto, as paredes do sistema devem ser adiabáticas, não permitindo trocas de calor com o meio ambiente.

Como a energia térmica pode ser trocada por condução, convecção e irradiação, foram usados os seguintes artifícios:

a)Para evitar a saída ou entrada de calor por condução, o liquido foi envolvido por vácuo. Por isso a garrafa térmica possui parede dupla de vidro (péssimo condutor) entre as quais se faz vácuo.

b)Para evitar a convecção (processo que exige trocas de partículas), deve-se manter sempre bem fechada a tampa da garrafa.

c)Para evitar irradiação, as paredes são espelhadas.

•Estufa: em paises onde o inverno é muito rigoroso são usadas estufas para o cultivo de verduras, legumes e flores. A estufa é um local fechado, com paredes e teto de vidro que recebem as irradiações solares.

O vidro é transparente, a luz visível, e praticamente opaco às ondas de calor (raios infravermelhos). Porém, uma pequena parte dos raios infravermelhos consegue passar pelo vidro e são os principais responsáveis pelo aquecimento no interior da estufa. Esses raios são absorvidos e depois são emitidos numa forma mais ampla de raios infravermelhos que poderão sair pelo vidro. Apenas pequena parte sai pelo vidro, o restante volta a ser absorvido pelas plantas.

LEITURA: Não confunda calor com temperatura

É comum entre nós a confusão entre calor e temperatura. Vamos tentar acabar com ela de uma vez por todas: temperatura é uma grandeza que mede o grau de agitação das moléculas. Já o calor é energia. E não é uma energia qualquer.

Quando um corpo transfere energia para outro devido à diferença de temperatura existente entre eles, observa-se o conceito de calor. Portanto essa energia só existe se estiver em movimento. Tal transferência ocorre até que os corpos igualem suas temperaturas, chegando, então, ao equilíbrio térmico.

Moçada, essa transferência de energia pode ocorrer por duas razões: para que um corpo utilize esse calor para modificar sua temperatura ou para que esse corpo modifique o estado físico da matéria. Lembre que as provas atuais de vestibular estão cobrando o conhecimento de conceitos.

Caro amigo, nunca se esqueça de que, durante uma mudança de estado físico da matéria, não pode ocorrer mudança de temperatura no corpo e vice-versa. O calor para efetuar mudança na temperatura do corpo é conhecido como calor do tipo sensível, enquanto o calor para realizar mudança de estado físico da matéria é chamado de calor do tipo latente.

As mudanças de estado físico são: fusão, passagem do estado sólido para o líquido; vaporização, passagem do estado líquido para o gasoso; condensação, de gasoso para líquido; solidificação, de líquido para sólido; sublimação, de sólido diretamente para gás e ressublimação ao passar de gás diretamente para sólido.

É fácil verificar que a fusão e a solidificação são mudanças inversas, assim como a vaporização e a condensação também o são.

É muito importante lembrar que as mudanças de estado físico que devem receber calor para serem realizadas são a fusão, a vaporização e a sublimação. Para que as outras aconteçam, é necessário haver perda de calor.

À aquisição de energia por um corpo, chamamos de processo endotérmico. Aos processos de perda de energia, damos o nome de exotérmicos.

O calor liberado por um corpo é necessariamente recebido por um ou por outro corpo de um sistema, uma vez que não há trocas com corpos externos.

A esse sistema, que não troca calor com exterior, denominamos sistema isolado termicamente. A soma dos calores nesses sistemas é sempre nula.

Leitura: Vai chover, fazer sol, frio ou calor?

Desde os tempos antigos, entre chineses, babilônios e gregos, por exemplo, há registros de tentativas de sistematização do conhecimento de como funciona a atmosfera. Mesmo sem saber o motivo de alguns fenômenos, o reconhecimento de padrões regulares leva a uma possibilidade de previsão. Mas para realmente detalhar e antecipar os fenômenos do tempo é necessário ir mais a fundo e usar as ciências da atmosfera.

O grande progresso na capacidade de observar a atmosfera e seus padrões ocorreu com o advento dos satélites meteorológicos a partir de 1950. A observação do movimento das nuvens, a partir deles, demonstrou de forma evidente a conexão entre o tempo nas diversas regiões do globo. O passo seguinte foi fazer a análise da radiação térmica emitida pela terra e pela atmosfera, através de sensores colocados a bordo dos satélites, a fim de obter dados de temperatura, quantidade de vapor d’água e velocidade dos ventos.

Para avançar na previsão do tempo foi necessário um ingrediente a mais: os computadores. É que o tempo é definido pelo ar em movimento e pela formação de nuvens e chuva. Para descrevê-lo, são necessárias complexas equações da física, especialmente da dinâmica dos fluidos.

Em 1950, o americano Jules Charney utilizou o pioneiro computador ENIAC para demonstrar a viabilidade de se fazer previsões numéricas do tempo. Com a evolução dos supercomputadores, a partir do fim da década de 1970, todo o processo foi ganhando sofisticação, combinando, através de programas especialmente preparados, as imagens processadas de satélite com outros dados de estações meteorológicas e balões atmosféricos.

Com o avanço das tecnologias de observação e processamento de dados, avançou-se também na previsão de aspectos para além da temperatura, chuva e condições gerais de nuvens. A evolução dos oceanos, as características do solo, seu uso e cobertura e a qualidade do ar são informações que passaram a ser agregadas. Passou-se a perceber que todas as partes da atmosfera e da superfície terrestre estão conectadas. Incorporou-se ainda dados das atividades humanas que transformam a composição da atmosfera através da emissão de gases.

Ao incorporar esses aspectos foi possível fazer perguntas do tipo: o que vai acontecer com o clima do nosso planeta se as atividades humanas continuarem no mesmo ritmo de hoje? E se houver uma mudança nos padrões de consumo, no uso de energia, trocando o petróleo por fontes de energia renováveis? Será que poderemos diminuir o impacto do desenvolvimento no clima futuro?